走进诺贝尔奖

来源:用户上传      作者:

　　化学奖
　　在生命数十亿年的发展历程中，进化的作用至关重要。进化是一种伟大的自然力量，科学家则希望在实验室里模仿生命的进化方法，实现生物大分子（主要是蛋白质）的快速进化。这种掌控生物分子进化的方法，被称为定向进化。
　　美国科学家弗朗西丝·阿诺德、乔治·史密斯和英国科学家格雷戈里·温特，因为在定向进化研究领域的开创性贡献，获得了201 8年诺贝尔化学奖。
　　酶的定向进化
　　酶是一种重要的蛋白质。作为一类生物催化剂，它可让各种生物化学反应快速进行。如果没有酶，我们很难进行消化和吸收食物、修复细胞、消炎排毒等。如果失去了酶，生命也就走向了终点。
　　酶不仅是生命延续的重要工具，现在人们还将它用于生产生活用品。比如，酱油、食醋、酒的生产是在酶的作用下完成的;洗衣粉中加入酶，可以提高清洁效率;酶制剂在医学临床上的应用也越来越普遍。
　　由于应用广泛，酶的提取和合成就成了重要的研究课题。然而这谈何容易，要知道生物大分子是自然界最复杂的分子。在1990年以前，科学家在人工设计新蛋白质分子方面，一直没有获得太大进展。
　　半路出家的阿诺德打破常规思维，她不想以传统的化学方法来设计蛋白质分子，而是要借助进化的力量。阿诺德原是学机械与航空航天工程专业的，读硕士研究生时转向蛋白质工程研究。
　　阿诺德对进化的力量充满了好奇。如今地球的每一寸空间都充满着多样化的生命，这都是构成生命的蛋白质在进化历程中被優化、改变和更新的结果。
　　进化的本质是基因突变和自然选择。阿诺德则是在实验室中，通过改变微生物培养液中各种化学成分浓度的方法，让能产生酶的微生物发生随机的基因突变，再用合适的方法加以筛选，找出自己所需的目标微生物。
　　以往工业生产中所用到的酶，通常是在自然界中（土壤、水、生物等）进行筛选，缺点是周期长，效率也偏低。酶的定向进化技术则是从基因水平对微生物进行改造，从而快速获得酶，或是进化出性能更好的新酶。
　　阿诺德的定向进化方法，可让工业界以更环保节能的方式生产酶，对化工生产、制药、绿色能源开发等方面都有着十分重要的意义。
　　抗体的定向进化
　　抗体是生物体内能够抵御外敌入侵的蛋白质，是生命防线中的重要成员。
　　抗体主要有两类，一类是正常抗体，比如A型血人的体内有对抗B型血输入的抗体;还有一类是免疫抗体，可抵御有毒有害的致病微生物。科学家研究比较多的是可以治病救人的免疫抗体。
　　该怎么判别某基因能否产生新的抗体呢？科学家一直在找一个“好演员”，希望它能够把这种基因很好地展示出来。1985年，史密斯率先发现了这个“好演员”，它就是噬菌体。就像名字一样，噬菌体是一种能够感染和吞食细菌的病毒。
　　科学家将可能产生新抗体的基因插入到噬菌体的基因中，结果基因编码的蛋白质和噬菌体的外壳蛋白质融合在一起，展示在噬菌体的外壳上。因此，科学家把这种技术叫作噬菌体展示技术。由于新培育的蛋白质被清晰地展示在噬菌体表面，科学家就很容易找到适合作新抗体的蛋白质，也能反推出产生这种新抗体的决定性基因。
　　由于噬菌体生命周期短，繁殖快，这样就能让科学家快速地找到新抗体。通常只需要两星期，科学家就能找到某个抗体对应的基因，这就让科学家对新抗体的挑选余地很大。
　　经过近30多年的发展和完善，噬菌体展示技术已开始造福人类。
　　噬菌体展示技术模拟了自然免疫系统，使我们有可能模拟体内抗体生成过程，让抗体能够加速进行定向进化，大大促进了免疫药物的研发和生产速度。如今，这种技术被广泛应用于抗原抗体库的建立、药物设计、疫苗研究、病原检测和基因治疗等。
　　噬菌体展示技术不仅在抗体研究领域作用很大，还能用于酶及活性的研究。许多科学家都在利用史密斯开发出的噬菌体展示技术，其中具有显著成效的是温特。
　　在获知噬菌体展示技术后，温特开展了大量的抗体定向进化研究。他不断地将实验室中获得的特定基因插入到噬菌体基因中，然后分析噬菌体产生的新蛋白质，从中筛选出新的抗体。他因此成了第一个利用抗体定向进化技术发明新药的人。这个药物是阿达木单抗（单克隆抗体），从2002年开始正式用于治疗类风湿关节炎、银屑病和炎症性肠病。
　　定向进化是人类对生命认知的一次重大变革，它对未来地球生命将产生重大而深远的影响。如果用好这些工具，不但可以让生命家园更加美好，而且可以让我们健康长寿。当然，我们也得警惕定向进化被人利用，设计出不利于人类的奇特生物，那很可能改变地球生态，给人类带来难以想象的灾害。
　　生理学或医学奖
　　包括人体在内的各种生命体内都有一套完备的免疫系统，它是抵御外敌入侵的重要防线。如果免疫系统不给力或被攻破，那我们的身体就会出现各种各样的病症，甚至面临死亡的威胁。美国科学家詹姆斯·艾利森和日本科学家本庶佑，找到了免疫系统被肿瘤细胞攻击时不给力的原因，并提出了相应的解决办法，帮助癌症患者增强抗癌的免疫活力，他们因此获得2018年诺贝尔生理学或医学奖。
　　抗癌尖兵被捆绑
　　人们之所以会患癌症，那是因为体内出现了由癌细胞构成的恶性肿瘤。癌细胞是个坏家伙，它们曾经也是健康的，但遭受各种刺激后“变坏”了。它们不但没有正常的生理机能，还挤占健康细胞的生存空间。癌细胞比健康细胞分化快得多，生长会加速并失去控制，甚至向身体其他部位转移，最终导致人体出现单个或多个关键器官衰竭而死亡。
　　我们不是还有对付坏家伙的免疫系统吗？科学家曾经认为癌细胞很凶猛，免疫系统斗不过它们而溃败。事实上，科学家后来发现，癌细胞不但很凶猛，还很狡猾。一些癌细胞还会在特殊化学物质掩护和协助下大举进攻。这些化学物质粘在免疫细胞上，捆绑住免疫系统内的抗癌“尖兵”（T细胞、白细胞等），让它们无力自拔。 　　免疫系统的基本属性是区分“自我”和“非自我”的能力，由此攻击和消除入侵的病原体和其他危险性毒素。也有人把免疫系统比作一辆汽车，触发全面免疫反应的蛋白质是油门，而抑制免疫反应的蛋白质就是刹车。科学家要做的就是适当加大免疫系统的油门，并在需要的时候松开刹车。
　　发现癌细胞的“帮凶”
　　艾利森发现了捆绑抗癌“尖兵”T细胞（一种淋巴细胞）的“胶水”CTLA-4。它是一种抗原类蛋白质，有着非常拗口的全称：细胞毒T淋巴细胞相关抗原4。有意思的是，艾利森还为自己的轿车申办了号码为CTLA-4的车牌。
　　CTLA-4是一种刺激免疫系统发生作用的抗原，但是它对免疫系统的调节不是增强，而是削弱，因此也被称为负调节抗原。
　　CTLA-4其实不是天生的坏家伙，只是在癌细胞出现时，它们会被利用捆绑T细胞，协助癌细胞攻击T细胞。因为它们不但和T细胞结合，还可和白细胞结合。
　　对于某些疾病来说，CTLA-4还是一种重要的药物。比如，某些患者天生免疫系统攻击性过强，这种疾病叫自身免疫性疾病。这些患者的免疫系统不但会攻击外来入侵的病原体或癌细胞，还会攻击自身的健康细胞，会误杀“自己人”。此时，服用CTLA-4药物会让患者的免疫系统恢复正常。
　　在发现CTLA-4后，艾利森认为，如果清除人体内的部分CTLA-4，解除T细胞受到的束缚，将有助于全力对抗癌细胞。随后，艾利森和合作者利用小鼠进行实验，开发出针对CTLA-4的抗体。研究结果证实他的设想是正确的，并逐步发展成可应用于人体的新疗法。
　　2010年公布的一项临床试验结果表明，接受CTLA-4抗体治疗的黑色素瘤患者寿命延长，比没接受治疗的患者延长了4个月。这是第一个可以延长黑色素瘤患者生存期的疗法，医学界为之震惊。由此，艾利森被美国《时代》杂志评为2017年全球最具影响力的百人之一。
　　另一个癌细胞的“帮凶”
　　人体不幸遭遇的癌症有1 00多种，因此癌细胞的“帮凶”可不止CTLA-4这一个。几乎與艾利森发现CTLA-4的同时，本庶佑发现了捆绑T细胞上的另一种“胶水”PD-1。它也有一个颇具学术特色的全称：程序性细胞死亡蛋白一1。它也对T细胞和白细胞等免疫细胞起到一定的抑制作用，防止免疫系统过强而误伤健康细胞。 在201 2年进行的一项临床试验中，阻击PD-1的药物用于不同类型癌症病患的治疗，效果非常好，尤其是在治疗肺癌、肾癌和黑色素瘤方面。近年来的研究进一步指出，针对CTLA-4与PD-1的联合治疗或许能够带来更好的效果，这已在黑色素瘤患者身上有所体现。
　　由于艾利森和本庶佑发现的都是让T细胞避免和特殊化学物质结合，因此这种治疗方法又被称为“免疫检查点疗法”。
　　癌症是人类最可怕的疾病之一，每年全球新增1800万癌症患者，有960万人因此而死亡。艾利森和本庶佑等人开创的癌症新疗法给人们带来了新的希望。这类增强免疫系统的疗法统称为癌症免疫疗法，它将改变人们接受放射疗法、化学药剂疗法、手术治疗等痛苦体验，让人类自身更加坚强地去对抗癌症。
　　本庶佑是一个安静的人，但是，当他讲话时，声音中会有一股力量，让人感觉到一种从内心深处涌出的热情。本庶佑说，他纯粹出于揭开免疫学谜题的渴望开始了该领域的研究。他庆幸自己生活在一个分子生物学正大步前进的时代。
　　“免疫检查点疗法的发现，只是一个故事的开端。我们需要很多人的力量，推动这种疗法达到令人满意的水平。”本庶佑说。
　　物理学奖
　　近100年来，激光是继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。激光从发明以来，科学家就在不断提升其性能、开发其新功能，取得了一个又一个令人瞩目的成果。
　　美国科学家阿瑟·阿什金、法国科学家热拉尔·穆鲁以及加拿大科学家唐娜·斯特里克兰，也是激光研究领域的佼佼者，他们因善于驾驭激光而获得了2018年诺贝尔物理学奖。
　　把激光打造成镊子
　　抓取单个细胞、细菌、分子等尺寸很小的东西，是一件十分困难的任务，难度超过我们的想象。这不仅是因为这些东西小到我们肉眼看不到，还因为连普通光学显微镜也看不到，得依赖电子显微镜。更令人烦恼的是，这些小东西并不是乖乖待在那里等你去抓取，而是不停地乱窜。这样，科学家就难以对它们进行深入的研究。
　　1987年，阿什金发现了一种方法，可以让这些不安分守己的小家伙束手就擒。这种方法就是利用激光作镊子，科学家称之为光镊。需要说明的是，光镊只是一个抓取工具，它本身没有显微作用。也就是说，光镊实际上是安装在显微镜上的辅助研究设备。
　　虽然名为光镊，但是它和日常使用的镊子相比，无论外表还是使用原理都大不相同。实际上，光镊并非用两道激光来夹东西，而是用一道强度适宜的激光束形成一个陷阱（更加学术的说法是三维势阱）。如果在以激光束形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域，你将会观察到，一旦微小物体进入这个区域就会自动迅速地坠落到光场中心，就像猎物坠入陷阱一样。因此，科学家形象地称之为光阱，相应的技术被称作光学捕捉。
　　发明光镊之后，阿什金用它捕捉到了一个活细菌，而且没有给它带来任何伤害。他可以固定这个细菌进行细菌内研究，也可以移动它到指定位置，研究细菌和生活环境的关系。在没有光镊之前，科学家很难固定细胞、细菌和病毒等微小“活物”，通常得先“弄死”（灭杀）它们。现在有了这种光镊，这些难题迎刃而解。研究人员可以抓取分子，把它们移动到想要的地方，并对它们展开操作，非常实用。如今，光镊已经是许多生物或医学实验室的标配仪器设备。除了应用于生物学，它在物理学、化学、材料学等领域也有广泛的应用。
　　让激光变强变快
　　现在医院用激光做手术已经司空见惯。比如，近视眼患者会去医院做激光手术，对角膜进行修正。然而，激光手术用的激光并非普通的由激光器发出来的激光，而是经过处理后的激光。因为普通激光功率相对较小、脉冲波长相对较大，对角膜的切割精度较低、切割范围过大，甚至可能误伤角膜周围的眼组织。啁啾（zhou jiu）脉冲放大技术出现之后，激光眼科手术变得可能了。
　　1985年，穆鲁和斯特里克兰发现了一种方法，可以让激光的脉冲波长缩短，功率增强。他们把这种方法命名为啁瞅脉冲放大，英文简称CPA。所谓啁啾，是因为在初期通信研究中，脉冲信号变到音频时会发出一种声音，听起来像鸟叫的啁瞅声，故而得名。
　　穆鲁等人发明的啁瞅脉冲放大技术，就是让激光的脉冲发生快速变化。与众不同的是，他们采用了一种欲擒故纵的方法。他们本意是要放大激光的功率，以获得更强的激光。但是。这个大家都知道的思路并没有带来理想中的效果。实验小组的研究助理威廉姆斯提供了新的思路：是否可以先缩小再放大呢？后来的研究证明，这个思路是正确的。当时，正在攻读博士学位的斯特里克兰在导师穆鲁的指导下，顺利完成了这个实验，而威廉姆斯因为没有参与实验而与诺贝尔奖无缘。
　　为什么要经过拉伸、放大、压缩这样一个过程，直接对激光放大不是很简便吗？的确，最初科学家就是不断地放大激光，然后再加以压缩，以获得更强更快的激光。激光器在1960年问世后，在短短5年时间内，更高功率的激光器不断出现，但此后20年，激光器的功率便徘徊不前，因为过大的功率会将激光器核心部件的放大元件烧毁，导致整台仪器报废。
　　更强更快不仅是体育界的口号，也是激光科学家的追求目标。多年来，众多科学家一味想提升功率，很少有人逆向思维：要是先缩小激光功率，会怎样呢？穆鲁等人就采取的这种思路。他们先将激光拉伸，拉伸之后功率变小，就可以顺利地通过放大元件，将放大之后的拉伸激光再压缩，就可以获得短脉冲、高功率激光束了。
　　超强激光在核物理、粒子物理等物理学分支中得到广泛应用，利用这项技术，物理学家制造出超高速相机，利用飞秒量级的脉冲对原子和分子进行拍照，得以更好地洞察微观世界中的秘密。
转载注明来源:https://www.xzbu.com/9/view-14838933.htm